三位數(shù)字電容表

1、電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題：三位數(shù)字電容表專業(yè)班級：新能源科學(xué)與工程學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：2015.7.11-725常熟理工學(xué)院物理與電子工程學(xué)院題目三位數(shù)字電容表一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1 .使用交流220v單相供電，經(jīng)整流變壓產(chǎn)生直流電，供給整個(gè)電路工作。2 .電容表測量范圍1999nf,使用3位數(shù)碼管顯示。3 .電路設(shè)有啟動按鈕、復(fù)位按鈕。按啟動按鈕后，電路開始測試，測試結(jié)束后, 顯示待測電容值。按復(fù)位按鈕，電路復(fù)位，顯示值清零，準(zhǔn)備下一次測試。參考原理框圖圖1 原理框圖表小參考原理：采用間接法測量電容的容量。電容器的充電時(shí)間和其容量大小有關(guān)， 容量大的電容需要的充電時(shí)間長； 容量小

2、的電容需要的充電時(shí)間短。當(dāng)選定固定 電阻后，充電時(shí)間就與電容容量大小成正比。 利用電容這一特性，將被測電容的 充電時(shí)間作為門控信號，將基準(zhǔn)脈沖發(fā)生電路所提供的脈寬作為測量尺度， 在被 測電容充電時(shí)間的同時(shí)，將控制閘門打開，讓計(jì)數(shù)與顯示電路統(tǒng)計(jì)并顯示輸入計(jì) 數(shù)器脈沖的個(gè)數(shù)，電容充電結(jié)束的同時(shí)將控制閘門關(guān)閉， 計(jì)數(shù)器顯示的脈沖個(gè)數(shù) 即為被測電容的容量。二、方案設(shè)計(jì)與論證1.因?yàn)殡娙萜鞯某潆姇r(shí)間和其容量大小有關(guān)， 所以可以將待測電容放入電路中， 通過測量電容充電時(shí)間來測量電容值， 用555定時(shí)器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，所以單 穩(wěn)態(tài)的高電平持續(xù)時(shí)間就是電容充電時(shí)間。2,用555定時(shí)器組成多諧振蕩器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈

3、沖， 作為單穩(wěn)態(tài)發(fā)生電路所提供的 脈寬的測量標(biāo)準(zhǔn)測量尺度。3 .用計(jì)數(shù)器對一個(gè)脈寬時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器顯示的脈沖個(gè)數(shù)即為被 測電容的容量。4 .基本原理計(jì)算公式三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1.使用交流220v單相供電，經(jīng)整流變壓產(chǎn)生直流電 5vu1二：；：二 i 而就skc4t二踹工i 與口:丁徹一 飛闔曲j1c20,1 mf圖2 直流電5v2.555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器多諧振蕩器的工作原理：多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波中除基波外 還含有豐富的高次諧波，故稱作多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫 穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換

4、， 故又稱它為無 穩(wěn)態(tài)電路。由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1 （a）所示，r1, r2和c是外接定時(shí)元 件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳）和低電平觸發(fā)端（2腳）并聯(lián)后接到r2和c 的連接處，將放電端（7腳）接到r1, r2的連接處。由于接通電源瞬間，電容c來不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于 （1/3）vcc ,故高電平觸發(fā)端 與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出 uo為高電平，放 電管vt截止。這時(shí)，電源經(jīng)r1, r2對電容c充電，使 電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升， 當(dāng)uc上升到（2/3） vcc時(shí)，輸出uo為低電平，放電管vt導(dǎo)通，把uc從（1/3） vcc上升到（2/3） vcc這段時(shí)間內(nèi)

5、電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間tph的長短與電容的充電時(shí)間有關(guān) 。充電時(shí)間常數(shù)t充=0.7 (r+r) c。由于放電管vt導(dǎo)通，電容c通過電阻r2和放電管放電，電路進(jìn)入第個(gè)暫穩(wěn) 態(tài)，其維持時(shí)間tpl的長短與電 容的放電時(shí)間有關(guān)，放電時(shí)間常數(shù)t放=0.7r2c 隨著c的放電，uc下降，當(dāng)uc下降到(1/3) vcc時(shí)，輸出uo為高電平，放電 管vt截止，vcc再次對電容c充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接 通電源后，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在(1/32/3) vcc之間變化。圖1 (b)所示為工作波形。15根據(jù)uc的波形圖可以確

6、定振蕩周期為t=tpl+tphtph對應(yīng)充電時(shí)間tph=0.7(r1+r2 ctpl對應(yīng)放電時(shí)間振蕩周期振蕩頻率tpl=0.7r2c t=tpl+tph=0.7 f=1/t(r1+2r2 c圖3 555多諧振蕩器3.555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)是電路有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)。在觸發(fā)信號作 用下，電路將由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)是一個(gè)不能長久保持的狀態(tài)，由于電路中rc延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，經(jīng)過一段時(shí)間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)，并在輸出 端獲得一個(gè)脈沖寬度為tw的矩形波。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，輸出的脈沖寬度tw,就是暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間，其長短取決于電路的參數(shù)值。

7、由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路及工作波形如圖 2所示。圖中r, c為外接定 時(shí)元件，輸人的觸發(fā)信號ui接 在低電平觸發(fā)端（2腳）穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出uo為低電平，即無觸發(fā)器信號（ui為高電平）時(shí)，電路處于 穩(wěn)定狀態(tài)一一輸出低電平。在 ui負(fù)脈沖作用下，低電平觸發(fā)端得到低于（1/3） vcc,觸發(fā)信號，輸出uo為高電平，放電管vt截止，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，定時(shí)開 始。在暫穩(wěn)態(tài)期間，電源+ vc-fhc一地，對電容充電，充電時(shí)間 t= 1.1rc, uc按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)電容兩端電壓 uc上升到（2/3） vcc后，6端為高電平， 輸出uo變?yōu)榈碗娖?，放電管vt導(dǎo)通，定時(shí)電容c充電結(jié)束，即暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。 電路恢

8、復(fù)到穩(wěn)態(tài)uo為低電平的狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙€(gè)觸發(fā)脈沖到來，又重復(fù)上述過程。 工作波形如圖2 （b）所示。輸出電壓uo的脈寬tw=1.1rc。由于r的取值在幾百歐至幾兆歐之間，電容 取值在幾百皮法到幾百微法。這種電路產(chǎn)生的脈沖寬度可從幾個(gè)微妙到數(shù)分鐘， 精度可達(dá)0.1%。由圖2 （b）可知，如果在電路的暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，加入心的 觸發(fā)脈沖（如圖2 （b）中的虛線所示），則脈沖對電路不起作用，電路為不可重 復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器。(a)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作電路(b)工作波形-1 +(* n s t2-t1qibnnd_btinechomd.a盤,5輯 e5,w0v214,015 ms5.w0v152,442 ms0

9、邛by高電平脈寬時(shí)間t=1.1*r1*c圖4 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4 .脈沖計(jì)數(shù)電路與數(shù)碼顯示計(jì)數(shù)部分選用三片74ls192十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。同時(shí)還需要考慮 對mr青零處理，這也是部分的關(guān)鍵之一。根據(jù)參考74ls192的芯片資料說明，以及查閱相關(guān)圖書電路設(shè)計(jì)了如右圖的 電路用來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。對于 mr勺清零處理，其實(shí)就是要在一個(gè)待測周期開始 計(jì)數(shù)前產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)間的高電平來實(shí)現(xiàn)清零， 然后一直為低電位直到下一個(gè)周期脈沖開始為止的脈沖輸入信號data b input qboutputs inputsclear |borrow outputscarry jloaddata c inputsd

10、ata d2345678bqnaqaclearcount1514131211109downcount carrvupsrryqcloadqdcdij (top view)圖5 74ls192 引腳分布圖al a2 0 51 le a3 m gnd300x7t gltbl.三心vcc5.0vvccju- 74ls192d74l6192c74ls192du12auwa74lsdod t4lsoodt一 r1stqu1m：74u500p. 82_ld|i0 *-imy spwr-h = .舞ifcey = spacs圖7脈沖計(jì)數(shù)與數(shù)碼顯示vccs.gv5 .待測電容計(jì)算公式設(shè)單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生脈寬時(shí)間為

11、t=1.1*r1*cx多諧振蕩器脈沖周期為t=0.7*(r5+2*r6)*c3單穩(wěn)脈寬下的脈沖個(gè)數(shù)為 d待測電容的值為cx=d*10a(-6)1ri*d*ka(-6)所以可得下列等式：c1.1*r1*cxd 二二0.7*(r5 2*r6)*c3 0.7*(r5 2*r6)*c3所測的電容值,默認(rèn)單位為uf四、總原理圖及元器件清單1 .總原理圖r占ggift:二圖8 總原理圖1.元件清單元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注r19.1kq *2+910 q1r25.1kq*21r3電阻3k q1r451a1r8/r9/r10330 a21c1100nf1cf1電容1uf1cf210nf1u1/u2/u37

12、4ls1923u4/u5/u64511cd-5v3u7/u8/u9共陰極數(shù)碼管3u10a/u12a/u13a74ls003五、安裝與調(diào)試六、結(jié)論與心得本次的電子課程設(shè)計(jì)有一定的難度，雖然是兩個(gè)人合作，但是困難還是重重。我們被分配到的任務(wù)是三位數(shù)字電容表。 老師第一節(jié)課大概講了一下我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)的思路， 剛開始真的無從下手， 通過查閱各種各樣的資料了解需要的元器件的引腳功能，自己通過看視頻學(xué)習(xí) multisim 軟件的使用方法，學(xué)習(xí)各種元器件的應(yīng)用方法。設(shè)計(jì)電路是最難的部分，所以我們先一部分一部分的進(jìn)行，先是555多諧振蕩器，然后是555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，計(jì)數(shù)器，最后是數(shù)碼管。在軟件上仿真的時(shí)候因?yàn)?/p>

13、數(shù)碼管上多接了一個(gè)電阻， 所以導(dǎo)致高位的計(jì)數(shù)器沒有示數(shù)。 仿真結(jié)果出來后， 為了減少誤差， 我們又對多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電阻進(jìn)行調(diào)整，盡量減小誤差。前三天進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真模擬，后兩天進(jìn)行實(shí)物連接與硬件調(diào)試。這也是我們第一次接觸面包板， 以前都是通過焊接來實(shí)現(xiàn)電路。 用面包板最大的隱患就是可能會有虛接。 所以我們做每一部分的時(shí)候都特別小心， 井然有序， 盡量不自亂陣腳。 電路圖與實(shí)物圖之間還是有很大的差別的， 要提前想好如何在面包板上擺放元器件的位置， 盡量利用有限的面包板的空間， 盡量減少交叉線， 使整體看上去整齊一點(diǎn)。 通過對課程設(shè)計(jì)的原理圖， 來確定需要的功能模塊。 再根據(jù)對應(yīng)模塊，

14、來初步確定所需的器材。 然后查找各個(gè)芯片的功能和建議電容表的工作原理， 最終確定制作方案。 本次方案的實(shí)施是有序進(jìn)行的， 我們小組通過對每個(gè)功能模塊的討論和研究， 盡量把每個(gè)功能模塊都做好， 最后再將所有的功能模塊整合在一起。 這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路還是很清晰的， 但是所需要的器件是比較多的， 這就需要我們對每個(gè)器件的功能要深入地了解。 就這樣， 我們的仿真部分做得還算順利。在具體的硬件制作過程中就出現(xiàn)了一些問題。所需的器件較多，帶來的后果就是要連的線就多， 如果器件的擺放位置不合理， 就會使面包板的制作變得異常艱難。所以我們又進(jìn)行了一番討論最終定硬件安裝方案。在連實(shí)物圖的時(shí)候會出現(xiàn)各種各樣的情況

15、， 這是就要充分利用身邊現(xiàn)有的檢驗(yàn)器件， 如萬用表， 示波器。 一定要善于借助儀器幫助分析判斷電路中所存在的問題， 如活用萬能表， 歐姆檔判斷所有的高低電平是否共線， 芯片之間引腳連接是否有虛斷等（在檢測時(shí)可以用鉛筆標(biāo)出，方便下次查找） ，電壓檔的使用，都非常有用； 然后就是示波器， 分析動態(tài)電位信息， 但對于示波器自認(rèn)為用的不是很上手； 函數(shù)發(fā)生器的使用等， 有這些儀器能讓自己排除出許多可疑點(diǎn)， 最終還是能找到原因的。 （同時(shí)也一定要注意正確使用儀器）這樣做可以為以后的連線掃除障礙。在這次的實(shí)驗(yàn)中， 也讓我充分明白了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。 自己的能力是有限的，要善于與別人合作， 發(fā)現(xiàn)別人身上的閃光點(diǎn)， 進(jìn)而更加清楚的認(rèn)識自己， 提升自己。在實(shí)驗(yàn)過程中，老師也給予了我們很多幫助，幫我們解決了很多困難。這次的實(shí)驗(yàn)讓我得到了一次很深刻的鍛煉， 從仿真不出效果到最終的出效果， 使己建立了信心；實(shí)物電路的波折不斷，虛心探討，主動請教，從無奈躁動、想放棄，到最后被迫熟悉儀器更多的使用， 最后幫助 2 組檢查排除錯(cuò)